DNA e CROMOSOMI. Come il DNA si replica, si ripara e ricombina

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1 DNA e CROMOSOMI Come il DNA si replica, si ripara e ricombina

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6 Nel 1928 venne dimostrato che il DNA è il materiale genetico dei batteri (Griffith)

7 Alcune proprietà dei batteri S morti possono trasformare i batteri vivi R così che essi producano il polisaccaride capsulare e diventino virulenti PRINCIPIO TRASFORMANTE Avery, MacLeod, McCarty

8 Nel 1952 venne dimostrato che il DNA è il materiale genetico dei virus (Hershey e Chase) (In alcuni virus il materiale genetico è l RNA) Quando il DNA e i componenti proteici dei batteriofagi sono marcati con isotopi radioattivi diversi, soltanto il DNA è trasmesso alla progenie fagica prodotta infettando dei batteri Esperimenti di trasfezione (equivalente negli eucarioti della trasformazione batterica) hanno dimostrato che il DNA è il materiale genetico anche delle cellule animali

9 Probabili ragioni per cui il nucleo avrebbe fatto la sua comparsa - per proteggere le lunghe e fragili molecole di DNA da urti meccanici - per mantenere separate spazialmente e temporalmente trascrizione e traduzione - perché il meccanismo dello splicing non venga disturbato dai ribosomi

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12 I tre elementi della sequenza di DNA necessari a produrre un cromosoma eucariotico stabile

13 Quantità di DNA presente in un genoma aploide

14 Un gene è un unità funzionale complessa che serve a realizzare la produzione regolata di una molecola di RNA

15 I cromosomi contengono proteine legate a specifiche sequenze del DNA La geometria dell elica di DNA dipende dalla sequenza nucleotidica (la struttura più stabile è la forma B, elicoidale destrorsa; la forma A è un altra elica destrorsa; la forma Z è una doppia elica sinistrorsa Le proteine sono in grado di avvolgere il DNA in spire strette: NUCLEOSOMI Gli ISTONI, le proteine non istoniche ed il DNA nucleare costituiscono la CROMATINA

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20 Rappresentazione schematica di cariotipo umano Bande G, qui scure, ricche in A-T; bande R, qui bianche, ricche in G-C I geni sono contenuti sia nelle bande G che nelle bande R La cromatina si addensa meno nelle regioni interessate alla trascrizione La cromatina è costituita da EUCROMATINA, non particolarmente addensata, ed ETEROCROMATINA, molto addensata e inattiva dal punto di vista della trscrizione

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22 Replicazione del DNA

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24 L allungamento della catena avviene sempre in direzione 5-3

25 Il meccanismo di replicazione è semiconservativo, infatti ogni filamento funge da stampo per la formazione di un intero nuovo filamento. Ciascuna cellula figlia eredita una doppia elica contenente un filamento vecchio e uno nuovo.

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29 Si ritiene che una forcella replicativa si arresti solo quando si imbatte in un altra in movimento in senso opposto oppure quando raggiunge l estremità del cromosoma

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32 Sintetizzandosi entrambi i filamenti figli in direzione 5 3, il DNA sintetizzato sul filamento lento deve essere costruito inizialmente sotto forma di una serie di brevi molecole dette FRAMMENTI DI OKAZAKI

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34 Per essere altamente fedele, la duplicazione del DNA esige un meccanismo di CORREZIONE DELLE BOZZE

35 La DNA polimerasi possiede sia un sito che catalizza la polimerizzazione (ATTIVITA POLIMERASICA 5 3 ) sia un sito catalitico che recide qualunque residuo spaiato terminale (ATTIVITA ESONUCLEASICA 3 5 / Proofreading activity)

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37 La DNA polimerasi esige un filamento innesco (primer) alla cui estremità 3 -OH sommerà altri nucleotidi. La DNA PRIMASI crea dei brevi inneschi di RNA, che poi verranno rimossi

38 Allungamento Proteina iniziatrice: si lega a siti specifici del punto di origine della duplicazione Elicasi: scorre lungo il filamento del DNA garantendone lo svolgimento (usa l energia di idrolisi dell ATP) PRIMOSOMA Primasi: sintetizza i primer di RNA Proteine destabilizzatrici dell elica: si legano al DNA a singola elica mantenendone la conformazione non avvolta Morsetto scorrevole: mantiene la DNA polimerasi salda allo stampo DNA polimerasi: nel batterio la III si occupa dell allungamento, la I di riempire delle lacune e rimuovere gli inneschi; negli eucarioti la α ha attività primasica e polimerasica; la δ estende i primer, è probabilmente responsabile dell allungamento sia del filamento lento che di quello veloce, ha attività proofreading; la ε può prendere il posto della δ ad esempio nella riparazione del DNA Ligasi: sutura del DNA Topoisomerasi: scinde il DNA nei punti di superavvolgimento legandovisi covalentemente in maniera reversibile

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44 Restauro del DNA Le sequenze di DNA si conservano con fedeltà altissima (si è stimata una velocità di mutazione pari a 1 mutazione ogni anni) La maggior parte delle mutazioni a carico delle proteine sono deleterie e vengono eliminate per selezione naturale Una bassa velocità di mutazione è indispensabile; le cellule germinali vanno protette da un elevato tasso di mutazione per la conservazione delle specie; le cellule somatiche per la salvaguardia dell individuo (es. cancro) Diversi organismi non differiscono tanto per la sequenza quanto per l espressione genica

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46 Correttore di appaiamento del DNA la cellula corregge gli errori che fa durante la replicazione del DNA

47 Le proteine correttrici di appaiamento rimediano agli errori occorsi durante la replicazione del DNA

48 Il DNA subisce ampi mutamenti a causa di fluttuazioni termiche Danneggiamento spontaneo del DNA

49 Danneggiamento del DNA indotto da radiazioni e agenti chimici

50 - Nucleasi di restauro del DNA: idrolizzano i legami fosfodiesterici creando una lacuna nell elica - DNA polimerasi: colma la lacuna basandosi sul filamento stampo - DNA ligasi: salda l incisione sul filamento completando il restauro -I diversi tipi di danno vengono riconosciuti da enzimi differenti: AP-ENDONUCLEASI per le depurinazioni; DNA-GLICOSILASI per ciascun tipo di base alterata - Vi è poi un grande complesso enzimatico per il restauro di LESIONI MASSICCE

51 Riparazione per escissione nucleotidica

52 Riparazione per escissione di base

53 Se non riparate le modificazioni chimiche dei nucleotidi danno origine a mutazioni

54 La struttura e le caratteristiche chimiche del DNA, ne facilitano il restauro? Le basi che si generano per deamminazione sono riconoscibili in quanto innaturali Il restauro è accurato grazie al fatto che l informazione è in duplice copia

55 La ricombinazione del DNA Ricombinazione omologa: scambio di informazione genetica ad alta precisione Riparazione da tagli del doppio filamento di DNA

56 Ipotetici modelli di ricombinazione E stato poi dimostrato che il modello corretto era quello della rottura e riunione

57 Il modello di Holliday per la ricombinazione omologa CHIASMA

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59 Giunzione di Holliday

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61 Gli enzimi coinvolti nella ricombinazione omologa E. Coli

62 Ricombinazione sito specifica: avviene tra sequenze specifiche di DNA, sequenze dissimili, di solito omologhe solo per un breve tratto Svolge il suo ruolo principale nella disseminazione di tratti di DNA detti elementi genetici mobili (~ 45% genoma umano) Gli elementi genetici mobili codificano le molecole di cui hanno bisogno per spostarsi Nei batteri i più frequenti sono i trasposoni a solo DNA, che si muovono grazie a enzimi detti trasposasi Ripetuti invertiti

63 Via litica e via lisogena del batteriofago λ

64 I virus sono elementi genetici a mobilità completa capaci di uscire dalla cellula Sono poco più che geni rivestiti da un involucro protettivo. Per riprodursi dipendono dalle cellule ospiti Genomi virali

65 Nel retrovirus l informazione genetica fluisce in direzione opposta a quella consueta

66 Trasposoni a solo DNA

67 Trasposizione mediante intermedi di RNA RETROTRASPOSONI

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70 Nel genoma umano le due famiglie di sequenze trasponibili più rappresentate sono: RETROTRASPOSONI e sequenze ALU (Long INterspersed Elements) ALU L1 ALU L1

71 Altri esempi importanti di ricombinazione sito specifica Riarrangiamenti programmati di geni nei genomi: l esempio del SISTEMA IMMUNITARIO Cellule B Immunoglobuline Cellule T Recettori di cellule T

72 Riarrangiamento dei geni delle catene leggere delle immunoglobuline